甘藍(lán)型油菜矮稈新種質(zhì)LSW2018矮縮性狀遺傳規(guī)律研究

王轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，李超，黃莎，唐容，王璐璐，楊斌，楊元雨，王芳，王敏,3，趙德剛，曾曉芳，張瑞茂

（1.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/農(nóng)業(yè)生物工程研究院山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)新教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽，550025；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院/油料研究所/油菜研究所/貴州省植物保育技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，貴州 貴陽，550006；3.貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽，550025）

株高是作物重要的農(nóng)藝性狀之一，它直接影響作物的抗倒性和豐產(chǎn)性。20世紀(jì)50年代，為了解決作物耐肥抗倒問題，育種家提出了“矮化育種”。隨后，半矮稈水稻和矮稈小麥大面積推廣，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1～3]。相對高稈品種，矮稈品種經(jīng)濟(jì)系數(shù)更高，更耐肥抗倒和耐密植[4]，可大幅提高作物產(chǎn)量和收獲指數(shù)。油菜成為繼小麥和水稻之后的又一主導(dǎo)綠色革命的作物，目前我國油菜種植以甘藍(lán)型油菜為主，面積占比90%以上，長江中上游地區(qū)平均株高約200 cm，存在不耐肥、易倒、不適宜機(jī)械化收獲等問題，嚴(yán)重制約油菜產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此，矮稈或半矮稈油菜新種質(zhì)的創(chuàng)制及高產(chǎn)抗倒品種的培育是育種的重要研究方向之一。

前人已發(fā)現(xiàn)了一些矮源材料，但由于植株過矮，冬前長勢弱、自交不親和、抗病性差等不利因素，至今還未創(chuàng)制出綜合性狀優(yōu)良的矮稈油菜品系以及適宜多生態(tài)區(qū)機(jī)械化收獲的品種[5～15]。段秋宇[16]研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)矮化的甘藍(lán)型油菜，具有耐肥、抗倒伏、耐密植、經(jīng)濟(jì)系數(shù)高等特點(diǎn)，更易于進(jìn)行機(jī)械化收獲，能為油菜的大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)創(chuàng)造條件。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)制出半矮稈材料如ds-1、ds-3、sca與ds-4等[17～20]，其中SCA基因與DS-4基因通過影響生長素信號通路調(diào)節(jié)油菜株高。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所研究發(fā)現(xiàn)BnaIAA7與BR 信號的串?dāng)_是通過BnaARF8 和BnaBZR1 之間的相互作用調(diào)節(jié)油菜植株形態(tài)的發(fā)生[21]。本團(tuán)隊(duì)前期也創(chuàng)制出優(yōu)良矮稈材料DW871 等[15]。但是目前選育成功并大面積推廣應(yīng)用的適宜機(jī)械化收割的矮稈油菜品種鮮有報(bào)道，對油菜株型遺傳方面的研究仍然有限。因此，繼續(xù)創(chuàng)制和挖掘甘藍(lán)型油菜矮稈種質(zhì)資源，研究其遺傳規(guī)律，并將矮稈油菜種質(zhì)與高含油量、高抗病性等諸多優(yōu)良性狀的甘藍(lán)型油菜進(jìn)行雜交，選育出綜合性狀優(yōu)良且適宜機(jī)械化收獲的油菜品種，是油菜育種的重要方向和目標(biāo)。

本研究以德油5 號F1作母本，自育新品系273R作父本配制雜交組合，在其F2代分離群體中發(fā)現(xiàn)6株自然變異株。經(jīng)5 代自交純合后，獲得甘藍(lán)型矮稈油菜新種質(zhì)LSW2018，該種質(zhì)苗期呈匍匐狀，冬前長勢中偏弱，具有葉面皺縮、葉片厚、葉柄短、葉色深等性狀?，F(xiàn)蕾后，與同源正常高稈HSW2018 相比，除株高和分枝部位與HSW2018存在極顯著差異外，其余開花習(xí)性、花序、分枝、果枝、角果等性狀無明顯區(qū)別。LSW2018植株矮稈，移栽、直播平均株高分別為136.24 cm 和110.4 cm，莖稈粗壯、節(jié)間短、分枝位低，抗倒性極強(qiáng)，是理想的矮稈種質(zhì)資源，具有重要的利用價(jià)值。為挖掘LSW2018 的育種優(yōu)勢，對LSW2018 矮稈性狀的遺傳規(guī)律進(jìn)行研究，對選育適宜高效輕簡化栽培的油菜品種具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 遺傳群體的構(gòu)建

2018 年春，選用正常高稈甘藍(lán)型油菜品種（系）119份、白菜型油菜品種（系）12份、芥菜型油菜品種（系）6 份與矮稈品系LSW2018（P1）進(jìn)行正反交，獲得137個(gè)正交組合F1和124個(gè)反交組合F1。

2018 年秋季，將獲得的261 份正反交組合及其中的5 個(gè)親本209R（P21）、6215R（P22）、5602R（P23）、382R（P24）、389R（P25）和矮稈品系LSW2018（P1）進(jìn)行定量穴播。選擇正交組合230 F1（LSW2018×209R）、231 F1（LSW2018×6215R）、232 F1（LSW2018×5602R）、233 F1（LSW2018×382R）、234 F1（LSW2018×389R）5個(gè)組合套袋自交獲得F2種子。同時(shí)對該5 個(gè)組合F1進(jìn)行正反回交，獲得對應(yīng)組合的正反回交aBC1和bBC1組合種子。

2019年秋播分別種植前5個(gè)組合自交的F2和正反回交aBC1和bBC1組合種子。2020 年春對5 個(gè)組合自交的F2群體植株全部套袋自交獲得各組合F3種子，并于當(dāng)年秋天進(jìn)行單株條播。

2021 年選用以LSW2018 轉(zhuǎn)育并已完全穩(wěn)定的的組合進(jìn)行株高遺傳分析，其中，228、240 矮稈品系來源于021R×LSW2018、361 矮稈品系來源于LSW2018×389R，020、771 矮稈品系來源于5771R×LSW2018、核三系組合326 來源于LSW2021CA×931R、質(zhì)三系組合046 來源于LSW243×2516R。采用育苗移栽，每公頃種植120 000 株，鑒定其田間實(shí)際株高表現(xiàn)，以研究該矮縮材料遺傳規(guī)律。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)田設(shè)置 試驗(yàn)分別于貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院貴陽花溪金竹鎮(zhèn)油料研究所試驗(yàn)基地、貴州省油菜研究所思南縣塘頭試驗(yàn)基地同步進(jìn)行。試驗(yàn)地中等肥力，正常施肥及田間管理，以直播的方式進(jìn)行種植，穴播采用40 cm × 16.7 cm，留雙株，密度180 000株/hm2，條播采用40 cm 行距，300 cm 行長定量播2 g種子，不勻苗。株高分離考查的群體種植總株數(shù)均不少于500 株，各群體按“矮縮性狀”和“株高”兩個(gè)方面進(jìn)行表型鑒定及統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.2 “矮縮”性狀 作為LSW2018 矮稈顯著標(biāo)記，無論是親本還是組合后代分離群體，在苗期具有葉片矮縮、匍匐狀，冬前長勢中偏弱，葉面皺縮，葉片厚，葉柄短，葉色深的標(biāo)記性狀，筆者將這一系列表型統(tǒng)稱為“矮縮”性狀；相對應(yīng)“正常植株”指苗期、花期和成熟期的表型與普通甘藍(lán)型油菜相同，沒有顯著的標(biāo)記性狀（圖1）。

圖1 LSW2018和HSW2018田間苗期表型Fig.1 Field phenotype of LSW2018 and HSW2018

1.2.3 株高 在收獲期于田間直接測量群體中各單株的實(shí)際高度。

2 結(jié)果與分析

2.1 以標(biāo)記性狀鑒定各世代的分離表現(xiàn)

2.1.1 LSW2018 與正常高稈油菜品種（系）正反交后F1表現(xiàn) 為全面鑒定LSW2018 矮縮性狀的遺傳規(guī)律，選用甘藍(lán)型、白菜型、芥菜型三種類型的油菜品種（系）與其進(jìn)行雜交，從細(xì)胞質(zhì)遺傳及顯隱性角度分析遺傳規(guī)律。137 份正常高稈油菜品種（系）與矮稈品系LSW2018進(jìn)行正反交得到的137個(gè)正交組合和124 個(gè)反交組合，F(xiàn)1代植株均表現(xiàn)為矮縮（表1），表明LSW2018 的矮縮標(biāo)記性狀屬顯性基因控制，不存在細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)。

表1 LSW2018與正常高稈油菜品種（系）正反交F1表現(xiàn)Table1 F1 Phenotypes of reciprocal crosses between LSW2018 and normal high stem rape varieties（lines）

2.1.2 LSW2018 與正常高稈甘藍(lán)型油菜品種（系）雜交F2、F3植株表現(xiàn) 對LSW2018 與5 個(gè)高稈品系雜交組合的F2和F3代群體植株進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明（表2），5個(gè)組合F2代群體正常植株數(shù)∶矮縮植株數(shù)=1∶3，且正常植株自交后代全部表現(xiàn)為正常植株，無“矮縮”植株，進(jìn)一步表明該類型矮縮性狀為1 對顯性基因控制。結(jié)合卡方測驗(yàn)，進(jìn)一步推斷該矮縮性狀屬于顯性基因遺傳。

表2 LSW2018與正常甘藍(lán)型油菜品種（系）雜交F2、F3植株表現(xiàn)Table 2 F2 and F3 plant phenotypes of LSW2018 hybrid with normal rape varieties（lines）of Brassica napus

2.1.3 LSW2018 與正常高稈甘藍(lán)型油菜品種（系）正反回交世代分離表現(xiàn) 以LSW2018與5個(gè)正常高稈品種雜交組合F1代為父本，與對應(yīng)組合親本為母本組配正反回交組合，獲得aBC1和bBC1群體植株，以矮縮標(biāo)記性狀為特征進(jìn)行鑒定，結(jié)果表明（表3），正交組合aBC1全部植株表現(xiàn)為矮縮，反交組合bBC1正常植株數(shù)∶矮縮植株數(shù)=1∶1。由此進(jìn)一步表明其矮縮標(biāo)記性狀是由1對顯性基因控制。

表3 LSW2018與正常高稈甘藍(lán)型油菜品種（系）正反回交世代分離表現(xiàn)Table 3 Separation phenotypes of positive and negative backcross generations between LSW2018 and normal tall varieties（lines）of Brassica napus

2.2 各世代群體株高性狀

2.2.1 LSW2018 與5 個(gè)正常高稈品系的正交F1的株高表現(xiàn) 在直播條件下，以LSW2018（株高110.4 cm）為母本，分別與株高介于191.5～213.6 cm 的5個(gè)父本209R（P21）、6215R（P22）、5602R（P23）、382R（P24）、389R（P25）進(jìn)行雜交（表4），其F1平均株高138.0 cm，變幅為126.0～144.3 cm；反交F1平均株高136.0 cm，變幅為128.2～141.5 cm。利用鄧肯法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明（表5），正交與反交的平均株高差值為2.0 cm，差異不顯著。正反交F1平均株高分別比矮親值高27.6 cm（變幅15.6～33.9 cm）、25.6 cm（變幅17.8～31.1 cm），差異顯著。分別比中親值低16.7 cm（變幅5.3～32.3 cm）、18.7 cm（變幅9.5～28.3 cm），差異顯著。分別比高親值低61.0 cm（變幅44.4～80.2 cm）、63.0 cm（變幅50.0～79.9 cm），差異極顯著。表明LSW2018 的株高性狀符合顯性-加性模型，受多基因控制。

表4 LSW2018與5個(gè)正常高稈品系的正反交F1的株高表現(xiàn)Table 4 Plant height performance of reciprocal F1 between LSW2018 and 5 normal high stem lines

表5 F1與親本及之間的株高差異顯著性檢驗(yàn)Table 5 Significance test of plant height differences between F1 and parents

2.2.2 LSW2018 與甘藍(lán)型油菜正常高稈品種（系）雜交F2株高表現(xiàn) 分別將5個(gè)來源不同的F2群體的個(gè)體株高以10 cm為1個(gè)區(qū)間進(jìn)行頻率分布分析，結(jié)果表明（圖2A-E），F(xiàn)2群體的植株株高在兩個(gè)相對集中區(qū)域明顯呈雙峰分布，無論是矮縮還是正常植株，在株高90～189 cm 區(qū)間均有不同頻率的疊加分布，但疊加分布區(qū)間大小因組合不同而有明顯區(qū)別，其中組合（LSW2018 × 6215R）F2疊加分布區(qū)間明顯要窄（圖2B），且在株高110～179 cm 的區(qū)間內(nèi)存在疊加分布。因此，不能簡單以某一株高區(qū)間的個(gè)體數(shù)來進(jìn)行遺傳分析，而應(yīng)結(jié)合其頻率分布進(jìn)行綜合分析。從5 個(gè)組合F2群體矮縮個(gè)體的頻率可知，其株高為50～189 cm，變幅較大。由此推斷LSW2018 的矮縮性狀的株高基因?qū)贁?shù)量性狀遺傳。

圖2 LSW2018與5個(gè)甘藍(lán)型油菜正常高稈油菜品種（系）雜交組合F2矮縮株與正常株株高分布頻率圖Fig.2 Plant height distribution frequency in F2 of combinations derived from LSW2018 and 5 normal cultivars(lines)

2.3 不同來源矮稈品系及同來源內(nèi)不同品系間的株高表現(xiàn)

2017年選用以LSW2018轉(zhuǎn)育并已完全穩(wěn)定的3個(gè)不同組合來源后代的5個(gè)矮稈新品系，1個(gè)隱性核不育三系組合（LSW2021CA×931R）和1 個(gè)質(zhì)不育三系組合（LSW243×2516R），在育苗移栽，密度為每公頃120 000 株條件下，測定各品系的株高，結(jié)果表明（表6），不論組合來源相同與否，不同品系之間株高差異較大，5 個(gè)品系群體的平均株高變幅86.9～144.3 cm，群體內(nèi)個(gè)體株高變幅61.2～165.3 cm。兩個(gè)雜交種F1平均株高分別為152.3、144.7cm，個(gè)體變幅112.1～167.8 cm。由此，也進(jìn)一步證明，該類型種質(zhì)的株高除主要受主基因控制外，還受其它多基因的影響，具有數(shù)量性狀的遺傳特征。這一表現(xiàn)也更加有利于選育株高適宜的該類型油菜品種。

表6 轉(zhuǎn)育的不同來源矮稈品系及同來源內(nèi)不同品系間的株高表現(xiàn)Table 6 Plant height performance of the dwarf strains from different sources and the different strains from the same source

3 小結(jié)與討論

新型矮稈甘藍(lán)型油菜種質(zhì)LSW2018 苗期苗型矮縮、匍匐生長，長勢較為穩(wěn)健，葉面皺縮、葉片厚、葉柄短、葉色深，與正常甘藍(lán)型油菜在苗期噴施多效唑后的苗型極為相似，本文簡稱“矮縮”性狀。與現(xiàn)有正常高稈油菜品種（系）的雜交，矮縮性狀在F1及分離世代都能夠穩(wěn)定遺傳，表明矮縮性狀受1 對顯性基因控制，不存在細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)，其株高受1對主基因+多基因遺傳，控制株高性狀的基因?qū)贁?shù)量性狀遺傳。前期張瑞茂、李超等研究顯示，矮稈油菜DW871 的特異花序及株高受1 對顯性主基因控制，其株高也受1 對主基因+多基因遺傳模式。對比研究顯示，LSW2018的遺傳研究結(jié)果與DW871的遺傳研究結(jié)果類似[15,22～25]。

對油菜矮稈新種質(zhì)LSW2018 的遺傳研究，可為其在油菜育種與生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用提供明確的思路與技術(shù)路徑，并具有以下三方面的重要意義：一是利用在雜交后代以“矮縮”顯性基因控制的性狀為特征標(biāo)記，可大幅提高選擇與改良的效率；二是利用雜種優(yōu)勢途徑選育株高合適，既豐產(chǎn)又高度抗倒、穩(wěn)產(chǎn)，適宜機(jī)收等輕簡化種植的目標(biāo)變得更為可期；三是進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用的該類型油菜品種在苗期即可輕易識別及清除假雜種植株，從而保障大田苗近100%的雜種純度。